【正文】 設(shè)初始條件是：t=0，Z=z0 ，=0，： 式中垂蕩有阻尼圓頻率 垂蕩固有周期為 （） 垂蕩固有周期的近似乎計(jì)算： 垂蕩運(yùn)動(dòng)的附加質(zhì)量和船本身的質(zhì)量是同一數(shù)量級，所以可以近似地認(rèn)為： 船的排水量為：式中：L、B、d船長、船寬、吃水； 方形系數(shù)。 水線面面積為：式中：水線面系數(shù)。 將、D、代入（）中，得：式中：豎向菱形系數(shù)。利用曲線擬合，表示出滑行艇垂蕩固有周期隨吃水的變化： 圖49 滑行艇垂蕩周期吃水變化圖因?yàn)榇故庍\(yùn)動(dòng)阻尼比較大，所以不能把靜水有阻尼垂蕩周期近似為垂蕩固有周期。 垂蕩運(yùn)動(dòng)的無因次衰減系數(shù)為：假定：縱搖是微幅的，縱搖運(yùn)動(dòng)主要產(chǎn)生的是興波阻尼，因此縱搖阻尼力矩與縱搖角速度成線性關(guān)系。慣性力矩： （） 阻尼力矩： （）復(fù)原力矩： （）式中：船體縱搖慣性矩； 縱搖附加慣性矩； 縱搖阻尼系數(shù)； 垂蕩阻尼系數(shù)； 排水量； 水線面面積； 縱搖加速度、速度、縱搖角。根據(jù)動(dòng)平衡原理，可以得到縱搖運(yùn)動(dòng)方程： （）上式各項(xiàng)除以，得： （）式中：縱搖衰減系數(shù)， （） 縱搖固有頻率 （）解方程（）得： （）式中：有阻尼的縱搖圓頻率，縱搖的無因次衰減系數(shù)為：縱搖的固有周期為：式中：R縱穩(wěn)心半徑?？v搖固有周期近似計(jì)算：因?yàn)榭v搖運(yùn)動(dòng)的附加質(zhì)量慣性矩和船本身的質(zhì)量慣性矩是同一數(shù)量級，所以可以近似地認(rèn)為：所以關(guān)鍵在于確定船體本身的質(zhì)量慣性矩：[15]式中：水線面系數(shù)。縱穩(wěn)心半徑R：[15]計(jì)算縱搖周期，即當(dāng)設(shè)計(jì)吃水時(shí)有：由此可知：船舶在靜水中垂蕩運(yùn)動(dòng)和縱搖運(yùn)動(dòng)的固有周期很接近的。根據(jù)受力分析，排水型船在滿足下面兩個(gè)平衡條件時(shí)，則船的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就是穩(wěn)定的：a) 流體壓力在垂直方向的分力應(yīng)等于艇的重量；b) 流體動(dòng)壓力之合力的作用點(diǎn)應(yīng)與艇的重心在同一垂直線上。但是，上面的條件是靜力平衡條件，由于排水型船主要是受流體的靜力作用，而慣性力比重很小，可以忽略。對于滑行艇在滑行狀態(tài)時(shí)主要受到流體慣性力的作用，因此僅滿足上述的靜力平衡條件的滑行艇，其運(yùn)動(dòng)不一定會(huì)穩(wěn)定。嚴(yán)格地說，上述縱向運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性條件中的受力平衡問題應(yīng)包括靜浮力和推進(jìn)器推力在豎直方向的分離作用在內(nèi)，但由于它們與流體壓力相比均為小量，故一般可以不考慮[16]。 滑行艇在某一航速上出現(xiàn)這種不穩(wěn)定的縱向運(yùn)動(dòng)，是由于滑行艇所受到的縱向慣性力太大，而且艇的縱向慣性半徑又很小的結(jié)果。一般說來，對于普通滑行艇只有時(shí)較易發(fā)生海豚運(yùn)動(dòng)。第5章 滑行艇三自由度運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)為了描述滑行艇的一般運(yùn)動(dòng)，根據(jù)滑行艇的縱向運(yùn)動(dòng)特性，擇于地球的“定系”，固連于滑行艇重心G、隨滑行艇一起運(yùn)動(dòng)的“動(dòng)系”，正方向按右手系的規(guī)定：Gx軸水平指向艇艏部，Gz軸鉛錘向下?；型Эv向轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為。通過上章幾節(jié)的分析可知，滑行艇這類變排水量船型的推進(jìn)、升沉和縱搖是相互緊密關(guān)聯(lián)、不可分割的強(qiáng)耦合運(yùn)動(dòng)，所以本論文就先將他們與橫蕩、艏搖、橫搖這3種橫向運(yùn)動(dòng)解耦，建立滑行艇縱向運(yùn)動(dòng)的耦合數(shù)學(xué)模型?；趧傮w六自由度余東耦合方程組：[17]現(xiàn)不計(jì)橫蕩、艏搖、橫搖，則有： （）要求解上式，需要知道等式左邊的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。質(zhì)量就是滑行艇所求工況下的世紀(jì)載重量；可要精確地求出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是比較困難的，因?yàn)樗痛У慕Y(jié)構(gòu)形式、型線設(shè)計(jì)、建造材料密度、質(zhì)量分布、儀器設(shè)備的安裝等有著，莫大的關(guān)系，本文采用近似的經(jīng)驗(yàn)公式來估算對軸的縱搖轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： （）式中：為滑行艇的長度。要求解式（），還需知道等式右邊的外力（矩）。這些力（矩）包括滑行艇船體、推進(jìn)器等所受的流體動(dòng)力。為了簡化研究，本論文將滑行艇在實(shí)際流動(dòng)中所受的水動(dòng)力分為慣性力和非慣性力，并忽略其相互影響。 作用于滑行艇的慣性類水動(dòng)力（矩） 由流體力學(xué)知道：一物體在理想流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，其周圍的動(dòng)量（矩）為： （）式中：為物體作方向平移運(yùn)動(dòng)時(shí)的水附加質(zhì)量； 物體作方向平移運(yùn)動(dòng)時(shí)的水附加質(zhì)量；為物體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的水附加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。而物體所受的慣性水動(dòng)力（矩）為： （）將投影代入（），則變?yōu)椋? （）與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量一樣，附加質(zhì)量和以及附加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的精確計(jì)算也非常復(fù)雜，所以本論文同樣采用前人用切片法[25]歸納總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)公式來估算。由于縱向附加質(zhì)量的數(shù)值較之船的質(zhì)量要小的多，僅為其值的，故近似認(rèn)為： （）而垂向的附加質(zhì)量和船體本身的質(zhì)量是同意數(shù)量級的，所以近似認(rèn)為： （）縱搖的附加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也和船體本身的縱搖轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是同一數(shù)量級，一次近似認(rèn)為： （） 作用于滑行艇的非慣性類水動(dòng)力（矩）將式（）代入式（），有： （）式中：、為物體所受的非慣性類水動(dòng)力（矩）。經(jīng)整理后得： （）在理想情況下運(yùn)動(dòng)的物體，其所受的非慣性類水動(dòng)力（矩）取決于它的形狀和運(yùn)動(dòng)情況。對于一艘具體給定的船體來說，其船型已經(jīng)固定不變了，多以只取決于它的運(yùn)動(dòng)情況。（矩）的具體計(jì)算考慮滑行艇的推進(jìn)、升沉和縱搖3個(gè)縱向運(yùn)動(dòng)，除主船體外，涉及的其他部分還有推進(jìn)器，風(fēng)載荷。則按照MMG方程，非慣性類力（矩）應(yīng)該包含、、將它們各自的投影代入到（），得到： （）上式中的下標(biāo)H、j、w分別代表主船體（Hull）、噴水推進(jìn)（jet propulsion）、風(fēng)（waves）。將 ，，代入方程組，并將等號右邊的各項(xiàng)力（矩）展開，風(fēng)只考慮在X方向的值，且設(shè)為定值Q,噴水推進(jìn)器推力亦設(shè)為定值，為T。整理得： () () ()針對()，結(jié)合船舶總阻力為摩擦阻力和剩余阻力之和，即：式中，為摩擦阻力，為剩余阻力。其中且，,。式中，為排水量。利用與u的關(guān)系，曲線擬合：假定：；再代入m=1850kg，T=2300N,Q=100N，再利用四階龍格庫塔法，可得曲線：圖51 滑行艇速度時(shí)間曲線針對(),假定：，u為常數(shù)，得：結(jié)合：,式中，,可得： （）利用與5組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合：與關(guān)系式為：= + + 代入（）中，可得： 進(jìn)行四階龍格庫塔法運(yùn)算，另：可得曲線：圖52 滑行艇升沉量時(shí)間曲線針對(),即其中，,，利用和之間的關(guān)系，進(jìn)行曲線擬合，得： = 3 + 2 + 進(jìn)行四階龍格庫塔法運(yùn)算，可得曲線：圖53 滑行艇縱傾角時(shí)間曲線另，滑行艇總阻力和摩擦阻力隨縱傾角變化曲線 圖54滑行艇總阻力和摩擦阻力隨縱傾角變化曲線 從以上幾章中分析可知，隨著滑行艇速度的增加，滑行艇的縱傾角會(huì)逐漸增加，隨之，相應(yīng)的升力也會(huì)增加，滑行艇的浮力反而減少，浮力的變化是由排水體積引起的，可知，滑行艇的濕表面積是隨速度增加而減少的，滑行艇的摩擦阻力也就會(huì)越來越小，這也與圖（）滑行艇摩擦阻力變化曲線想對應(yīng)。速度的增加引起的滑行艇縱傾角的增加也在圖（） 滑行艇縱傾角時(shí)間曲線反應(yīng)了出來。這也是滑行艇這類變排水量船的主要運(yùn)動(dòng)特性?；型У纳?，浮力，速度之間的相互影響，會(huì)促使滑行艇在運(yùn)動(dòng)過程中達(dá)到一個(gè)動(dòng)平衡狀態(tài)，直到遇到其他外力的擾動(dòng)。結(jié) 論本文在無人艇的設(shè)計(jì)和性能初步分析方面做了一些工作，主要工作有：一、 針對目前國內(nèi)外的高速無人艇研究發(fā)展現(xiàn)狀展開了調(diào)查研究，并對我國目前滑行艇阻力、穩(wěn)性、耐波性和新艇型的開發(fā)進(jìn)行簡單的介紹。二、 從任務(wù)需求出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)有條件，利用Maxsurf軟件進(jìn)行單體滑行艇模型的設(shè)計(jì)，并對模型進(jìn)行了流體性能的初步計(jì)算分析。三、 進(jìn)行了推進(jìn)器的設(shè)計(jì)，并對噴水推進(jìn)器的種種要素對各個(gè)性能的影響進(jìn)行了分析。四、 以滑行艇前進(jìn)、升沉及縱搖運(yùn)動(dòng)為目標(biāo)開展滑行艇流體性能的初步分析。五、 建立了船前進(jìn)、升沉、縱搖三自由度運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，開展了滑行艇三自由度運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)，分析了高速滑行艇運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。六、 在參考相關(guān)文獻(xiàn)時(shí)，完成了關(guān)于“開槽船的流體水力性能及其對阻抗的作用”內(nèi)容的外文翻譯一篇。研究過程中存在的問題以及對未來工作的展望：在對滑行艇模型初步流體性能分析的時(shí)候，由于軟件的語言理解的不足，在穩(wěn)性分析方面未能分析的很透徹，以后學(xué)習(xí)熟練使用maxsurf軟件，在未來的工作中更好地分析船舶性能。在對滑行艇的縱搖和升沉運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，分析程度有所欠缺，未能詳細(xì)地分析出這兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)他們的具體水動(dòng)力數(shù)值。在以后的工作中有待加強(qiáng)。致 謝經(jīng)過半年的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，作為一個(gè)本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，以及一起工作的同學(xué)們的支持，想要完成這個(gè)設(shè)計(jì)是難以想象的。 在這里首先要感謝我的導(dǎo)師王志東教授。王老師平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段，從查閱資料到設(shè)計(jì)再到三自由度預(yù)報(bào)等整個(gè)過程中都給予了我悉心的指導(dǎo)。除了敬佩張老師的專業(yè)水平外，他的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。 其次要感謝我的同學(xué)葛XX對我無私的幫助，特別是在軟件的使用方面，正因?yàn)槿绱宋也拍茼樌耐瓿稍O(shè)計(jì)，我要感謝我的母?！K科技大學(xué)，是母校給我們提供了優(yōu)良的學(xué)習(xí)環(huán)境；另外，我還要感謝那些曾給我授過課的每一位老師，是你們教會(huì)我專業(yè)知識。在此，我再說一次謝謝！謝謝大家！??！。參考文獻(xiàn)[1] 周璽、高東華、馬玉林. 無人水面艇在信息戰(zhàn)中的應(yīng)用. 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